Статические вольт-амперные характеристики

При использовании транзисторов в различных схемах представляют практический интерес зависимости напряжения и тока входной цепи (входные вольт-амперные характеристики) и выходной цепи (выходные или коллекторные вольт-амперные характеристики). Эти характеристики могут быть записаны аналитически или построены графически. Последний способ наиболее прост и нагляден, поэтому он нашел преобладающее применение. Вольт-амперные характеристики снимают при относительно медленных изменениях тока и напряжения (по постоянному току), в связи с чем их называют статическими. Вид характеристик зависит от способа включения транзистора.

Существуют три способа включения транзистора: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). О способе включения с общей базой говорилось при рассмотрении принципа действия транзистора. Различие в способах включения зависит оттого, какой из выводов транзистора является общим для входной и выходной цепей. В схеме ОБ общей точкой входной и выходной цепей является база, в схеме ОЭ — эмиттер, в схеме ОК — коллектор.

Статические характеристики транзистора в схемах ОЭ или ОК примерно одинаковы, поэтому рассмотрим характеристики только для двух способов включения: ОБ и ОЭ.

Слайд 12

Схема ОБ

Рис. 4.5. Схема включения транзистора с общей базой (схема ОБ)

Слайд 13

Выходные характеристики транзистора в схеме ОБ отражают зависимость тока коллектора Iк от напряжения на коллекторе относительно базы Uкб при фиксированном токе эмиттера I_э : I_к = F(U_кб)I_э = const (рис. 4.6, а). Здесь, как и ранее, рассматривается транзистор типа р-п-р, поэтому напряжение Uкб отрицательное.

Рис. 4.6. Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ (а); иллюстрация эффекта модуляции базы в транзисторе (б); зависимость коэффициента передачи тока α от тока эмиттера Iэ (в)

Вольт-амперные характеристики имеют три характерные области: I — сильная зависимость Iк от Uкб (нелинейная начальная область), II — слабая зависимость Iк от Uкб (линейная область), III — пробой коллекторного перехода.

Для схемы ОБ характерно расположение начальной области I левее оси ординат. Это обусловлено тем, что напряжение на коллекторном переходе транзистора в схеме ОБ определяется суммой внутренней разности потенциалов φ₀ и внешнего напряжения Uкб. При Uкб = 0 и заданном токе эмиттера дырки перебрасываются в коллектор из базы под действием внутренней разности потенциалов φ₀; при Uкб = 0 ток Iк ≠ 0. Чтобы уменьшить ток Iк, нужно создать встречный поток дырок через переход, т.е. перевести коллекторный переход путем изменения полярности напряжения Uкб в режим инжекции носителей заряда (в режим эмиттера). При подаче некоторого напряжения положительной полярности Uкб потоки дырок через коллекторный переход будут взаимно скомпенсированы и ток Iэ = 0. Естественно, что с увеличением тока Iэ для этого необходимо подать напряжение Uкб большей величины. Этим объясняется смещение влево начальных участков характеристик при большем токе Iэ.

Слайд 14

Некоторое увеличение тока Iк обусловливается увеличением коэффициента передачи тока α транзистора вследствие возникающего эффекта модуляции толщины базового слоя (эффекта модуляции базы), а также роста тока I_к0 = F(U_кб).

Эффект модуляции базы связан с расширением коллекторного перехода lк за счет увеличения объемного заряда в нем, вызванного повышением напряжения U_кб (рис. 4.6, б). Поскольку расширение перехода происходит главным образом за счет базового слоя, как более высокоомного, повышение напряжения Uкб приводит к уменьшению толщины базового слоя l_б, а следовательно, к уменьшению числа актов рекомбинаций дырок с электронами в ней, увеличению коэффициента передачи тока α и тока Iк.

Эффект модуляции базы иллюстрируется рис. 4.6, б, на котором обозначения с индексом 1 относятся к напряжению U_кб1, а с индексом 2 — к напряжению U_кб2 (U_кб2 > U_кб1).

Слайд 15

Рис. 4.6. Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ (а); иллюстрация эффекта модуляции базы в транзисторе (б); зависимость коэффициента передачи тока α от тока эмиттера Iэ (в)

Постоянство задаваемого тока Iэ при снятии коллекторных характеристик обусловливает постоянство градиента концентрации дырок dp / dx на границе перехода П1 с базой. В связи с этим кривые распределения концентраций в базе р_n2(х) и р_n1(х) идут параллельно друг другу. Из рис. 4.6, б следует, что начальные уровни концентраций дырок на границе эмиттерного перехода с базой получаются неодинаковыми, в частности р_n1(0) > р_n2(0). Это может быть только в случае уменьшения напряжения на переходе П1. Таким образом, изменение тока Iк с изменением напряжения Uк6 при Iэ = const, связанное с изменением коэффициента передачи тока α из-за эффекта модуляции базы, сопровождается также изменением напряжения на эмиттерном переходе. Иными словами, модуляция базы создает внутреннюю обратную связь по напряжению в транзисторе.

Если предположить, что для транзистора задается не ток Iэ, а напряжение U_эб, определяющее напряжение на эмиттерном переходе, то при подаче напряжения U_кб2 > U_кбl концентрация дырок не изменится (р_n1(0)= р_n2(0)) и кривая р_n2(х) примет вид, показанный на рис. 4.6, б пунктирной линией. Больший наклон пунктирной кривой отражает увеличение эмиттерного тока I_э2 по сравнению с I_э1, а следовательно, и коллекторного тока. В данном случае изменение тока коллектора при проявлении эффекта модуляции базы наблюдается не только за счет изменения коэффициента  передачи тока α, но и за счет обратной связи, влияющей на ток эмиттера.

Слайд 16

Рис. 4.6. Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ (а); иллюстрация эффекта модуляции базы в транзисторе (б); зависимость коэффициента передачи тока α от тока эмиттера Iэ (в)

Некоторое возрастание тока I_к на выходных характеристиках при повышении напряжения U_кб вследствие увеличения коэффициента передачи тока α за счет эффекта модуляции базы (рис. 4.6, а) характеризуется дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода  , которое может быть найдено из коллекторных характеристик как отношение приращений напряжения и тока. Для маломощных транзисторов величина r_к(б) составляет 0,5 - 1 МОм.

При Iэ = 0 зависимость Iк = F(Uкб) представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики коллекторного р-п-перехода. Обратный ток коллекторного перехода определяет составляющую теплового тока I_к0 в коллекторном токе транзистора.

В области II выходные характеристики практически линейны и дифференциальное сопротивление коллекторного перехода r_к(б) можно принять неизменным. Тогда для этой области зависимость Iк = F(Uкб) можно представить в аналитической форме:

                                                                              (4.11)

Слайд 17

Рис. 4.6. Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ (а); иллюстрация эффекта модуляции базы в транзисторе (б); зависимость коэффициента передачи тока α от тока эмиттера Iэ (в)

Наличие составляющей теплового тока I_к0 в выражении (4.11)  является одной из главных причин температурной зависимости выходных (коллекторных) характеристик транзистора. Влияние температуры приводит к изменению теплового тока I_к0 и смещению характеристик вверх при повышении температуры (пунктирные кривые на рис. 4.6, а) и вниз при ее снижении. Такое же воздействие на коллекторные характеристики (в меньшей степени) оказывает и зависимость от температуры коэффициента  передачи тока α. Это обусловлено тем, что в рабочем диапазоне температур наблюдается некоторое увеличение коэффициента передачи тока  α с ростом температуры.

Зависимость коэффициента передачи тока α от тока эмиттера в виде кривой с максимумом при некотором токе Iэ приведена на рис. 4.6, в. Увеличение коэффициента передачи тока α и достижение им максимального значения с возрастанием эмиттерного тока объясняется относительным уменьшением числа актов рекомбинаций дырок в базе с ростом количества входящих в нее дырок, т.е. повышением коэффициента переноса δ при увеличении тока Iэ. После достижения максимума последующее уменьшение коэффициента передачи тока α обусловливается уменьшением коэффициента инжекции γ с ростом тока Iэ. Для маломощных транзисторов максимуму коэффициента передачи тока α соответствует ток эмиттера, равный 0,8—3 мА.

Для транзистора существует предел повышения коллекторного напряжения ввиду возможного электрического пробоя коллекторного перехода (область III на рис. 4.6, а), который может перейти в тепловой пробой. Величина допустимого напряжения U_кб указывается в справочниках.

Слайд 18

            Входные характеристики транзистора в схеме ОБ

Входные характеристики транзистора в схеме ОБ (рис. 4.7) представляют собой зависимость  и по виду близки к прямой ветви вольт-амперной характеристики р-n-перехода (диода).

Рис. 4.7. Входные характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ

Входная характеристика, снятая при большем напряжении Uкб, располагается левее и выше. Это обусловливается эффектом модуляции базы, приводящим к повышению градиента концентрации дырок в базе и увеличению тока Iэ.

Схема включения транзистора с общим эмиттером                                                                                                       Слайд 19

Слайд 20(1)

            Выходные характеристики в схеме с ОЭ

Рис. 4.9. Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ

Выходные характеристики транзистора в схеме ОЭ определяют зависимость коллекторного тока I_к = F(U_кэ) при I_б = const              (рис. 4.9, а). Как и для схемы ОБ, здесь можно выделить три характерные области: I — начальная область, II — относительно слабая зависимость Iк от Uкэ, III — пробой коллекторного перехода.

Коллекторные характеристики транзистора в схеме ОЭ отличаются от соответствующих характеристик в схеме ОБ. В частности, они начинаются из начала координат и участок I располагается в первом квадранте. При U_кэ = 0 напряжение на коллекторном переходе равно U_бэ, коллекторный переход открыт и инжектирует дырки в базу. Потоки дырок через коллекторный переход (от коллектора и базу и от эмиттера в коллектор) взаимно уравновешиваются и ток Iк ≈ 0. По мере повышения напряжения U_кэ в области I прямое напряжение на коллекторном переходе снижается, его инжекция уменьшается и ток Iк возрастает. На границе с областью II прямое напряжение снимается с коллекторного перехода и в области II на переходе действует обратное напряжение. Точке перехода от области I к области II соответствует напряжение Uкэ порядка 0,5—1,5 В.

Слайд 20(2)

Коллекторные характеристики транзистора в схеме ОЭ, записанные в аналитической форме:

,                                            (4.12)

Где  — коэффициент передачи тока в схеме ОЭ.

Коэффициент β показывает связь тока коллектора с входным током Iб. Если для транзисторов коэффициент α = 0,9÷0,99, то коэффициент β = 9÷99. Иными словами, транзистор в схеме ОЭ дает усиление по току. Это является важнейшим преимуществом включения транзистора по схеме ОЭ, чем, в частности, определяется более широкое практическое применение этой схемы включения по сравнению со схемой ОБ.

Выражение (4.12) можно переписать в виде

,                                                                                    (4.12 а),

где ;

  Так же как и в схеме ОБ, коллекторные характеристики имеют некоторый наклон к оси абсцисс (рис. 4.9, а), вызванный эффектом модуляции базы. Однако этот наклон в схеме ОЭ больше, чем в схеме ОБ, так как малые изменения коэффициента α под действием изменения напряжения на коллекторном переходе дают значительные изменения коэффициента β = α / (1 – α). Указанное явление учитывается вторым слагаемым в правой части уравнения (4.12 а). Дифференциальное сопротивление r _к(э) коллекторного перехода в схеме ОЭ в 1 + β раз меньше дифференциального сопротивления r _к(б) в схеме ОБ и составляет                  30—40 кОм.

Слайд 21

Из принципа действия транзистора известно, что через вывод базы протекают во встречном направлении две составляющие тока (см. рис. 4.8): обратный ток коллекторного перехода I _к0 и часть тока эмиттера (1 – α)I_э. В связи с этим нулевое значение тока базы (Iб = 0) определяется равенством указанных составляющих токов, т.е. (1 – α)I_э = I_ко. Нулевому входному току соответствуют ток эмиттера I_э = I_к0/(1 – α) = (1 + β)I_к0 и ток коллектора I_к = αI_э + I_к0 = αI_к0/(1 – α) + I_к0 = (1 + β)I_к0. Иными словами, при нулевом токе базы через транзистор в схеме ОЭ протекает ток, называемый начальным или сквозным током Iк0(э) и равным (1 + β)Iк0.

Этим обусловливается наличие третьей составляющей тока Iк в выражениях (4.12) и (4.12 а). Таким образом, ток коллектора при входном токе, равном нулю, в схеме ОЭ в 1 + β раз больше, чем в схеме ОБ.

Если же эмиттерный переход перевести в непроводящее состояние, т.е. подать напряжение Uбэ ≥ 0, то ток коллектора снизится до I_к0 (рис. 4.9, а) и будет определяться обратным (тепловым) током коллекторного перехода, протекающим по цепи база — коллектор. Область характеристик, лежащая ниже характеристики, соответствующей Iб = 0, называют областью отсечки.

Коллекторные характеристики в схеме ОЭ, так же как и в схеме ОБ, подвержены температурным смещениям. Однако температурные воздействия здесь проявляются сильнее, чем в схеме ОБ. Это обусловлено, во-первых, наличием множителя 1 + β перед Iк0 в формуле (4.12) и, во-вторых, более сильными температурными изменениями коэффициента β = α / (1 – α) при относительно малых температурных изменениях коэффициента α.

Необходимо указать и на тот факт, что в схеме ОЭ пробой коллекторного перехода наступает при коллекторном напряжении в 1,5—2 раза меньшем, чем в схеме ОБ.

Слайд 22